книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

•вероятностью появления ложных сигналов от конструк­ тивных элементов соединения (неблагоприятная геомет­ рия, конструктивные зазоры, наличие приварных элемен­ тов и т.п.).

Полнота прозвучивания является количественным критерием контроледоступности и может оцениваться коэффициентом

F =S /S '* m % ,

где У - плоишь прозвучеиного сечения; S - площадь наплавленного металла и зоны термического влияния с обеих сторон шва.

Поскольку нормы оценки качества основного металла (листа, трубы), как правило, слабее, чем нормы оценки качества сварного соединения, то для исключения проблем с оценкой контроледо­ ступности и унификации оценки качества для большинства от­ ветственных объектов Госгортехнадзором и Госатомнадзором РФ стандартизированы границы сварного соединения. В их пределах металл контролируется и оценивается по нормам, действующим для сварных швов. При этом ширина контролируемой и оцени­ ваемой зоны основного металла - В определяется от границы

разделки шва под сварку и составляет:

а) не менее 5 мм для стыковых сварных соединений, выпол­ няемых дуговыми способами сварки; не менее номинальной тол­ щины свариваемых деталей при их толщине от 5 до 20 мм вклю­ чительно; не менее 20 мм при номинальной толщине свариваем мых деталей свыше 20 мм;

б) не менее 3 мм независимо от толщины для угловых и тор­ цевых сварных соединений и вварки труб в трубные решетки, выполняемых дуговыми способами сварки;

в) не менее 50 мм независимо от толщины для сварных со­ единений, выполненных электрошлаковой сваркой.

Всварных соединениях деталей различной номинальной толщины ширина указанной зоны определяется отдельно для ка­ ждой из сварных деталей.

Всамом общем виде функция F зависит от следующих пере­

менных: наличия и величины валика усиления (для стыковых соединений) или катета сечения (для нахлесточных и угловых соединений), толщины стыкуемых элементов, ширины околошовной зоны и доступности прозвучивания всего сечения соеди­ нения, угла ввода, эффективной ширины УЗ-пучка (рис. 7.2).

Оптимальной, с точки зрения полноты прозвучивания, будет такая схема, при которой F = 1.

Рис. 7.2. Номограмма для выбора параметров ПЭП в зависимости от конструкции и типоразмера соединений:

У- Р = 53°,/= 5 МГц; п - 5 мм; 2 - р = 50°,/= 2,5 МГц; п = 10 мм; 3 - р = 50°,/= 2,5 МГц; л = 23 мм; 4 - 0 = 40°,/= 2,5 МГц; л = 14 мм; 5 - р = 40°,/= 1,8 МГц; л = 24 мм; б - р = 30°,/= 2,5 МГц; л = 14 мм;

7 - р = 30°,/= 1,8 МГц; л = 24 мм

Оценка влияния каждого из независимых переменных и их реальных комбинаций представляет весьма трудоемкую задачу и является основой создания оптимальной методики контроля [67]. Например, совокупность направлений прозвучивания данного сварного соединения определяется выбором наиболее благопри­ ятного угла встречи (ракурса озвучивания) УЗ-луча с плоскост­ ным дефектом, поэтому базируется на основе вероятностных оценок распределения плоскостных дефектов по ориентации и местоположению, полученных из статистического анализа.

Для исключения вольного толкования термина полнота про­ звучивания при выполнении производственного контроля и бази­

руясь на постулате, что официально утвержденная методика яв­ ляется оптимальной, в ряде отраслей промышленности введены степени (градации) контроледоступности шва, выраженные через возможность обеспечения полноты прозвучивания в предписан­ ных методиками направлениях.

В РД 34.17.302 - 97 (ОП № 501 ЦД-97), регламентирующим технологию контроля и нормы оценки качества соединений тру­ бопроводов и сосудов тепловых электростанций, установлены следующие степени контроледоступности в порядке ее снижения:

1 ДК - центральный луч УЗ-пучка пересекает каждый эле­ мент (точку) контролируемого сечения, как минимум, с двух на­ правлений;

2 ДК - центральный луч УЗ-пучка пересекает каждый эле­ мент (точку) контролируемого сечения хотя бы с одного направ­ ления;

3 ДК - имеются элементы контролируемого сечения, не пере­ секаемые центральным лучом УЗ-пучка при регламентированной схеме контроля ни по одному из направлений. При этом площадь непрозвучиваемых участков не превышает 20 % от общей пло­ щади контролируемого сечения и они находятся только в подпо­ верхностной части сварного соединения.

Сварное соединение считают неконтроледоступным, если центральный луч УЗ-пучка не пересекает все элементы контро­ лируемого сечения ни по одному из направлений прозвучивания, кроме подповерхностного слоя, или площадь непрозвучиваемых участков превышает 20 % от общей площади контролируемого сечения.

Направления считаются разными, если угол между централь­ ными лучами УЗ-пучков волн одного типа (моды) отличается не менее чем на 35°

Ограниченная возможность контроля на выявление попереч­ но-ориентированных дефектов (поперечных трещин) не изменяет степень контроледоступности сварного соединения.

Следует заметить, что в швах существуют участки, полно­ ценный контроль которых из-за конструктивных особенностей заведомо невозможен. Эти участки не классифицируются при оценке контроледоступности:

•места пересечения швов с неудаленной выпуклостью (ва­ ликом усиления);

•краевые участки незамкнутых сварных соединений в пре­ делах ширины LKзоны, определяемой большей из величин

А, = л/ЦЗЖ; I. = Д»/2,

где Н - номинальная толщина свариваемых элементов; Дп - диаметр или ширина

пьезоэлемента в дополнительной плоскости; Я,- длина волны;

•Сварные соединения труб с внутренней расточкой, если длина цилиндрической части расточки менее

Lp =Н tga + Ы2 + В + 5,

где a - угол ввода; Ъ- ширина усиления шва; В - ширина околошовной зоны, подлежащей контролю по нормам оценки сварных соединений;

•сварные соединения с конструктивным непроваром за ис­ ключением случаев, если размеры исключаемого из кон­ троля сечения не превышают 3 % от общей площади кон­

тролируемого сечения.

Степень контроледоступности может быть повышена путем изменения конструкции соединения или сварного узла, снятия усиления, расширения зоны перемещения ПЭП, обеспечения до­ полнительного доступа ПЭП к сварному шву, изменения схемы прозвучивания.

При этом нельзя переоценить роль совместного сотрудничест­ ва конструкторов и неразрушенцев при проектировании оборудо­ вания. Хорошим примером этому является переработка первона­ чально недефектоскопичной конструкции сварного ротора диамет­ ром 800 мм с очень малой шириной околошовной зоны (рис. 7.3). В предложенном первоначально варианте конструкции корневая зона шва практически не прозвучивапась. В то же время наиболее опасные дефекты - трещины возникали именно в этой зоне.

Р и с . 7 , 3 . С х е м а п р о з в у ч и в а н и я к о р н е в о й з о н ы ш в а р о т о р а т е н е в ы м м е т о д о м :

а - с п е р е о т р а ж е н и е м о т « з е р к а л а » ; б - о с ц и л о г р а м м а ; в- к о р р е л я ц и я м е ж д у а м ­ п л и т у д о й с и г н а л а Ч ', п р о ш е д ш е м у п о п у т и Ч , и в ы с о т о й т р е щ и н ы /? , м м

Для полного прозвучивания корневой зоны В.И. РыжовымНиконовым, В.А. Воронковым и О.Н. Щербаковым (ЦНИИТМАШ) было предложено видоизменение конструкции с создани­ ем акустического «зеркала». Такое изменение конструкции сде­ лало ее полностью дефектоскопичной.

В действующем в атомной энергетике руководящем докумен­ те ПНАЭ Г-7-030 - 91 критерии контроледоступности более строгие. Для сварных соединений устанавливаются следующие степени контроледоступности в порядке ее снижения (рис. 7.4):

1C - центральный луч УЗ-пучка пересекает каждый элемент металла контролируемого сечения сварного соединения в двух или более направлениях (с точностью до половины шага сканирова­ ния), проходящих через секторы Б или Б', и В или В', и А или А';

2С - центральный луч УЗ-пучка пересекает каждый элемент металла хотя бы в одном направлении, проходящем через секто­ ры Б или Б', В или В';

ЗС - частично или полностью не выполняется прозвучивание по каждому из направлений, предусмотренных для степени 1C. Центральный луч УЗ-пучка пересекает каждый элемент металла в направлении, проходящем через секторы А или А';

•сварное соединение считают неконтроледоступным, если центральный луч УЗ-пучка ни по одному из направлений не проходит через все элементы металла*контролируемого сечения;

•возможность контроля на выявление поперечных дефектов не изменяет степень контроледоступности сварного соеди­

нения, определенную выше.

Контроль сварных соединений труб с внутренней расточкой однажды отраженным лучом возможен, если длина цилиндриче­ ской части расточки не менее Lp.

При меньших размерах расточки контроль проводят только прямым лучом при удаленном усилении.

Трещины в сварных соединениях ориентированы преимуще­ ственно вертикально, а в горизонтальной плоскости - вдоль оси шва; угол наклона несплавлений определяется конфигурацией разделки сварного соединения.

Некоторые отклонения в режиме сварки, например увеличе­ ние скорости, приводят к образованию трещин, ориентированных в горизонтальной плоскости почти строго под углом 45° к оси шва. Поэтому для обеспечения достоверности контроля необхо­ димо изучение реальных дефектов и статистики их появления в зависимости от параметров сварочного процесса и конструкции конкретного шва.

Рис. 7.4. Схема для определения степени контролсдостулмости

сварного соединения;

направления озвучивания

Усиление сварного шва существенно влияет на достовер­ ность контроля. Если усиление велико, то в ряде случаев при контроле швов малых толщин невозможно прозвучить корень шва осью УЗ-пучка. В МГТУ им. Н.Э. Баумана показано, что в соединениях толщиной 7 мм наличие усиления шва приводит к занижению средней эквивалентной площади дефекта на 2 мм2, увеличивает недобраковку в 3,5 раза.

Для контроля обычно применяют прозвучивание эхометодом: только прямым лучом, прямым и однократно отражен­ ным лучом, многократно отраженным лучом, по слоям (по со­ вмещенной схеме включения в дефектоскоп); а также эхо­ зеркальным, зеркально-теневым методами и дельта-методом (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Способы прозвучивання сварных соединений:

а - прямым лучом; б - прямым и однократно-отраженным лучом; s - многократ­ но-отраженным лучом; г - по слоям; д - эхо-зеркальным способом («тандем»); <*- зеркально-теневым; ж - дельта-методом

Способ прозвучивания прямым лучом (рис 7.5а) является

основным способом контроля. ПЭП при прозвучивании прямым лучом перемещается в околошовной зоне между валиком усиле­ ния шва (точка 1) и точкой 2, расположенной от оси шва на рас­ стоянии х2 = Htga.+bf2. Способ наиболее помехоустойчив, т.е.

при его применении наблюдается минимум ложных эхо-сигналов от каких-либо элементов конструкции в зоне соединения (при­ варных косынок или штуцеров, различных выфрезеровок валика усиления и т.п.). Недостатком его является наличие «мертвой зоны», вызванной тем, что преобразователь упирается в валик усиления шва. Для плоских соединений размер «мертвой зоны»

Ни может быть найден из выражения: # м = (b/2 +п0) ctga.

Следовательно, условием пересечения всего объема шва осью ультразвукового пучка, т.е. условием полного прозвучивания, является bj2 < Н tga - w0.

При контроле необходимо выбирать такие параметры ПЭП (угол ввода а и стрелу п0), чтобы Ям была минимальна [54].

Для особо ответственных изделий и в случае выявления неблаго­ приятной статистики распределения дефектов под валиком верх­ нюю часть шва целесообразно прозвучивать преобразователем с углом р = 53...55° или поверхностными волнами (см. далее).

Способ применяется для контроля швов всех толщин, являет­ ся единственно пригодным для прозвучивания также швов тол­ щиной 3,5... 10 мм, выполненных односторонней сваркой с про­ плавлением, дефекты в которых находятся в корне. В последнем случае ПЭП обычно перемещается только вдоль шва.

Контроль прямым и однократно отраженным лучом осу­ ществляется при перемещении ПЭП между точками 1...S (рис.

7.3б), позволяет вести контроль с одной стороны изделия, а также прозвучивать мертвую зону. ПЭП при прозвучивании прямым и однократно отраженным лучом перемещают вдоль линии, от­ стоящей от оси шва на расстоянии х'2 = 2 # tg a + b /2 .

Недостаток этого способа - зависимость предельной чувстви­ тельности к дефектам, берущимся отраженным лучом, от состоя­ ния поверхности. Поэтому, в частности, если сосуд заполнен жидкостью, то перед контролем она должна быть удалена.

Контроль многократно отраженным лучом сопровождает­ ся большим числом ложных сигналов от валика усиления шва и

является наименее помехоустойчивым. Применение его ограни­ чивается случаями, когда не имеется доступа непосредственно к шву (например, стыковое соединение с обеих сторон закрыто приварными накладками).

Контроль по слоям обладает наибольшей достоверностью. Он заключается в том, что прозвучивание производят любым из перечисленных способов, но эхо-сигналы фиксируют только на определенном рабочем участке развертки Д/,, выделяемом путем стробирования (рис. 7.5г). Способ помехоустойчив, позволяет уменьшить ошибки в оценке дефектов благодаря тому, что пре­ дельная чувствительность при контроле устанавливается для ка­ ждого слоя отдельно. Но, естественно, обладает наименьшей производительностью, поэтому наиболее эффективно его приме­ нение для контроля швов толщиной более 50...60 мм.

Эхо-зеркальный метод («тандем») в наиболее распростра­ ненном варианте заключается в одновременном прозвучивании шва двумя ПЭП, расположенными с одной стороны шва и син­ хронно перемещающимися в разные стороны относительно оси симметрии ( ООх, рис. 7.5д). Как показано в гл. 2, сумма расстоя­

ний ПЭП от оси шва хх+ х2 - const и время t прихода сигналов,

зеркально отраженных от дефектов и внутренней поверхности изделия, постоянны (для данной толщины Н) (97,122]. Последнее

существенно облегчает контроль, т.к. эхо-сигнал от любого де­ фекта будет находиться строго на данном участке развертки, ко­ торый легко застробировать. ПЭП могут включаться по раздель­ ной иди раздельно-совмещенной схеме [97]. В последнем случае регистрируются дополнительные эхо-сигналы, отраженные об­ ратно к каждому из ПЭП.

В последнее время эффективно используется эхо-зеркальный метод с трансформацией поперечных волн на дефекте и регист­ рацией переотраженной от дна продольной волны. Этот метод позволяет уменьшить ширину зоны сканирования (рис. 3.14в).

Зеркально-теневой и теневой способы (рис. 7.5е) могут быть рекомендованы только для выявления относительно грубых дефектов. Прозвучивание выполняется двумя ПЭП, включенны­ ми по раздельной схеме, размещенными с обеих сторон шва на­ встречу друг другу.

Дельта-метод основан на регистрации волн, дифрагирован­ ных или дифрагированных и трансформированных на краях де­ фекта (гл. 2). Схема его приведена на рис. 7.5ж. При облучении

дефекта поперечной волной на его краях возникают дифрагиро-

Способ прозвучивания прямым лучом (рис 7.5а) является

основным способом контроля. ПЭП при прозвучивании прямым лучом перемещается в околошовной зоне между валиком усиле­ ния шва (точка 7) и точкой 2, расположенной от оси шва на рас­ стоянии х2 —77tga+ 6/2. Способ наиболее помехоустойчив, т.е.

при его применении наблюдается минимум ложных эхо-сигиалов от каких-либо элементов конструкции в зоне соединения (при­ варных косынок или штуцеров, различных выфрезеровок валика усиления и т.п.). Недостатком его является наличие «мертвой зоны», вызванной тем, что преобразователь упирается в валик усиления шва. Для плоских соединений размер «мертвой зоны» Я м может быть найден из выражения: Ям = (6/2+я0 )ctga .

Следовательно, условием пересечения всего объема шва осью ультразвукового пучка, т.е. условием полного прозвучивания, является 6/2 < Я tga - nQ.

При контроле необходимо выбирать такие параметры ПЭП (угол ввода а и стрелу л0), чтобы Ям была минимальна [54]. Для особо ответственных изделий и в случае выявления неблаго­ приятной статистики распределения дефектов под валиком верх­ нюю часть шва целесообразно прозвучивать преобразователем с углом Р = 53...55° или поверхностными волнами (см. далее).

Способ применяется для контроля швов всех толщин, являет­ ся единственно пригодным для прозвучивания также швов тол­ щиной 3,5..Л0 мм, выполненных односторонней сваркой с про­ плавлением, дефекты в которых находятся в корне. В последнем случае ПЭП обычно перемещается только вдоль шва.

Контроль прямым и однократно отраженным лучом осу­ ществляется при перемещении ПЭП между точками J...3 (рис.

7.36), позволяет вести контроль с одной стороны изделия, а также прозвучивать мертвую зону. ПЭП при прозвучивании прямым и однократно отраженным лучом перемещают вдоль линии, от­ стоящей от оси шва на расстоянии х'2 = 2Я tga+ 6/2.

Недостаток этого способа - зависимость предельной чувстви­ тельности к дефектам, берущимся отраженным лучом, от состоя­ ния поверхности. Поэтому, в частности, если сосуд заполнен жидкостью, то перед контролем она должна быть удалена.

Контроль многократно отраженным лучом сопровождает­ ся большим числом ложных сигналов от валика усиления шва и